Laboratorium Inżynierii Elektrycznej w Transporcie

Ćwiczenie nr 5 Temat: Napęd trakcyjny z silnikiem IPMSM

Skład grupy: Marta Kossakowska Filip Wilczyński Radosław Bogdan Krzysztof Piszczatowski Marcin Korman

Autor sprawozdania: Marcin Korman

Uwagi:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było poznanie podstawowych metod sterowania wielobiegunowego silnika IPMSM: obserwacja działania napędu trakcyjnego podczas regulacji momentu w dwóch przypadkach: z odwzbudzaniem i bez odwzbudzania. Do naszych zadań należało wyznaczenie podstawowych charakterystyk, na podstawie których możliwe jest sprawdzenie właściwości napędu.

1. Stanowisko laboratoryjne

Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego zawarty jest w instrukcji do omawianego ćwiczenia (rys 3, str. 7). W jego skład wchodzą następujące układy napędowe: napęd z silnikiem IPMSM oraz pomocniczy napęd z silnikiem prądu stałego.

Parametry silnika IPMSM typu RTMds:

• Znamionowy moment obrotowy Tn= 25Nm, maksymalny Tmax=75Nm

• Napięcie zasilania U_DCmax=300V

• Prąd znamionowy In=25,5A, maksymalny Imax= 75A

• Maksymalna prędkość mechaniczna ωmax=50 rad/s

• Liczba par biegunów p=9

• Masa m= 17kg

Maszyna prądu stałego stanowiła obciążenie dla badanego silnika synchronicznego. Podstawowe parametry: moc znamionowa 5,5kW i moment 20Nm.

Dzięki zastosowaniu przekształtnika czterokwadrantowego możliwy jest zwrot energii do sieci w czasie hamowania. Obsługa napędu prądu stałego odbywa się przy pomocy zadajnika potencjometrycznego.

Źródłem energii dla badanego układu były szeregowo połączone akumulatory ołowiowe typu EP12-28 firmy EUROPOWER (18 akumulatorów o napięciu 12V), znamionowe napięcie zasilania 216V.

Występujący w badanym układzie przekształtnik SDO umożliwiał przepływ ciągłego prądu obciążenia do 15A oraz dopuszczalne przeciążenie 25A (przy częstotliwości modulacji 10kHz w czasie jednej minuty)

Do pomiaru prądów i napięć użyto przetworników LEM. Wyjścia z przetworników doprowadzono do skrzynki pomiarowej. Zastosowane przekładnie: dla prądu- 10 A / 1 V oraz dla napięcia- 100 V / 1 V. Ponadto wykorzystany został momentomierz firmy MAGTROL.

Z panelu operatorskiego (rysunek 4c str. 7 – instrukcja do ćwiczenia) odczytywane zostały wielkości mechaniczne: prędkość kątowa, moment i moc mechaniczna.

1. Przebieg ćwiczenia

Do naszych zadań należało:

- Wstępne zapoznanie się z budową stanowiska laboratoryjnego

- Odpowiednie podłączenie woltomierzy do wyprowadzeń skrzynki pomiarowej

- Zbadanie rozrzutu wartości momentu wskazywanego przez momentomierz przy zerowej prędkości obrotowej

-konfiguracja i uruchomienie napędu badanego bez obciążenia: zanotowanie osiągniętych prędkości dla dwóch zadanych momentów: 4Nm i 8Nm w trybie bez odwzbudzania i z odwzbudzaniem

- przy pracy silnika z obciążeniem: odczytywanie wartości mierzonych wielkości (napięcie i prąd źródła, moment, prędkość obrotowa) w celu późniejszego wykreślenia potrzebnych charakterystyk

1. Wyznaczenie rozrzutu wartości momentomierza przy ω_obr=0

Rozrzut wartości momentu zarejestrowany przez momentomierz:

• 0,18 Nm podczas obrotu w lewo

• 0,2 Nm podczas obrotu w prawo

1. Pomiar prędkości dla zadanych momentów i trybów pracy.

Wyniki przedstawia poniższa tabela:

Zadany moment [Nm]	Tryb [-]	ωobr [obr/min]
4	bez odwzbudzania	1685
4	odwzbudzanie	1735
8	bez odwzbudzania	1675
8	odwzbudzanie	2955

Tabela1.: Pomiar prędkości dla zadanych momentów 4Nm i 8Nm z odwzbudzaniem silnika i bez odwzbudzania

1. Wyznaczenie charakterystyk trakcyjnych oraz zależności mocy mechanicznej i sprawności w funkcji prędkości obrotowej (praca z odwzbudzaniem).

• Moment zadany 8 Nm:

Wyniki pomiarów przedstawia poniższa tabela:

Ub [V]	Ib [A]	n [obr/min]	Tkomp[Nm]	Tmom[Nm]	ωobr [rad/s]	Pm [W]	η [%]
222	2	110	8,01	7,94	11,52	91,46	20,60%
218	4	359	8	7,59	37,59	285,34	32,72%
216	5	498	8	7,42	52,15	386,96	35,83%
215	6	637	8	7,25	66,71	483,62	37,49%
214	6	728	8	7,16	76,24	545,85	42,51%
212	7	757	8	7,03	79,27	557,29	37,55%
211	7	948	8	6,97	99,27	691,94	46,85%
210	7	1023	7,8	6,88	107,13	737,04	50,14%
208	7	1129	7,9	6,78	118,23	801,59	55,05%
205	7	1300	7,8	6,67	136,14	908,02	63,28%
201	8	1474	7,8	6,48	154,36	1 000,23	62,20%
199	8	1655	7,5	5,91	173,31	1 024,27	64,34%
196	8	1858	7,2	5,20	194,57	1 011,76	64,53%
195	9	1968	6,8	4,90	206,09	1 009,83	57,54%
195	9	2096	6,8	4,40	219,49	965,77	55,03%
195	9	2280	6,8	3,59	238,76	857,15	48,84%

Tabela 2.: Wyniki pomiarów dla zadanego momentu 8 Nm. Ub – napięcie zasilania, Ib- prąd zasilania, n- prędkość obrotowa, T_komp – moment (pomiar z komputera), T_mom – moment (pomiar z momentomierza), ω_obr – prędkość kątowa, Pm – moc mechaniczna, η – sprawność

Obliczenia:

Wartości napięć i prądów wyznaczamy w oparciu o przekładnie mierników: odpowiednio
100 V/1 V i 10A / 1V, tzn. otrzymane wyniki mierzymy przez 100 (Ub) i 10 (Ib).

W celu wyznaczenia mocy mechanicznej należy zamienić prędkość obrotową [obroty/min]

Na prędkość kątową [rad/s]:

ω_obr=( 2*π* n)/60 = ( 2*π* 110)/60 = 11,52 rad/s

moc mechaniczna:

Pm= ω_obr* T_mom=11,52*7,94 = 91,46 W

sprawność:

η = Pm/(Ub*Ib) *100% = 91,46/(222*2)*100% = 20,60%

Charakterystyka mechaniczna T(n):

Rys 1.: Charakterystyka mechaniczna T(n): moment zadany 8 Nm

Charakterystyka sprawności w funkcji prędkości obrotowej:

Rys 2.: Charakterystyka sprawności w funkcji prędkości obrotowej: moment zadany 8 Nm

Zależność mocy mechanicznej od prędkości obrotowej:

Rys 3.: Zależność mocy mechanicznej od prędkości obrotowej: moment zadany 8 Nm

• Moment zadany 6 Nm:

Wyniki pomiarów przedstawia poniższa tabela:

Ub [V]	Ib [A]	n [obr/min]	Tkomp[Nm]	Tmom[Nm]	ωobr [rad/s]	Pm [W]	η [%]
214	2	144	6	5,83	15,08	87,91	20,54%
210	4	364	5,9	5,53	38,12	210,79	25,09%
208	4	515	5,9	5,35	53,93	288,53	34,68%
206	4,5	665	5,8	5,17	69,64	360,03	38,84%
204	4,5	799	5,8	5,04	83,67	421,70	45,94%
202	4,5	972	5,7	4,89	101,79	497,74	54,76%
201	4,5	1140	5,7	4,7	119,38	561,09	62,03%
190	5	1422	5,6	4,45	148,91	662,66	69,75%
190	5,5	1618	5,2	3,94	169,44	667,58	63,88%
199	5,5	1726	5,1	3,55	180,75	641,65	58,62%
198	6,5	1865	4,8	3,1	195,30	605,44	47,04%
198	8	1991	4,7	2,5	208,50	521,24	32,91%

Tabela 3.: Wyniki pomiarów dla zadanego momentu 6 Nm. Ub – napięcie zasilania, Ib- prąd zasilania, n- prędkość obrotowa, T_komp – moment (pomiar z komputera), T_mom – moment (pomiar z momentomierza), ω_obr – prędkość kątowa, Pm – moc mechaniczna, η - sprawność

Charakterystyka mechaniczna T(n):

Rys 4.: Charakterystyka mechaniczna T(n): moment zadany 6 Nm

Charakterystyka sprawności w funkcji prędkości obrotowej:

Rys 5.: Charakterystyka sprawności w funkcji prędkości obrotowej: moment zadany 6 Nm

Zależność mocy mechanicznej od prędkości obrotowej:

Rys 6.: Zależność mocy mechanicznej od prędkości obrotowej: moment zadany 8 Nm

1. Wnioski

Badany układ z silnikiem IPMSM pracował w trybie z odwzbudzaniem.

Dla różnych trybów pracy uzyskaliśmy różne wartości maksymalne prędkości obrotowej.

Dla trybu bez odwzbudzania uzyskane prędkości, mimo różnicy zadanych momentów, są zbliżone. Można to stwierdzić analizując charakterystykę mechaniczną takiego układu (rys 2 instrukcja do ćw. laboratoryjnego). Powyżej wartości bazowej ω_b ( odpowiada jej maksymalne napięcie falownika) układ stara się cały czas zwiększać napięcie wyjściowe celem utrzymania stałego momentu. Ponieważ nie jest to jednak możliwe, obserwujemy spadek wartości prądu (składowej iq) stąd także momentu silnika. Moment elektromagnetyczny spada bardzo szybko, stąd miejsca przecięcia charakterystyki z wykresem oporów ruchu występuje w podobnym miejscu dla obu przypadków (T=4Nm i T=8Nm). Dla trybu z odwzbudzaniem wartości maksymalnych prędkości są znacznie wyższe niż w poprzednim przypadku. Ten tryb pozwala na utrzymanie stałej wartości składowej iq. Wskutek zmniejszania strumienia (zmieniając składową id) spada wartość momentu, rośnie za to prędkość obrotowa. Strumień i prędkość obrotowa są do siebie odwrotnie proporcjonalne.

Spadek momentu w miarę zwiększania prędkości następuje jednak znacznie wolniej niż poprzednio. Przecięcie z krzywą oporów ruchu wyznacza zatem wyższą prędkość maksymalną.

Do ok 1500 obr/ min w 1. przypadku i ok 1420 obr /min w drugim obserwujemy w przybliżeniu stały moment elektromagnetyczny. Po przekroczeniu tej prędkości obserwujemy stosunkowo niewielkie spadki momentu wraz ze wzrostem prędkości, charakterystyczne dla pracy z odwzbudzaniem silnika. Różnice w uzyskanych wynikach pomiarów wynikały przede wszystkim z trudności prawidłowego odczytania wartości z panelu. Występowały duże różnice między chwilowymi mierzonymi wartościami.

Moment zmierzony przy pomocy momentomierza nie jest stały, pokazuje faktyczne wartości momentu na wale, który może nieco zmieniać się w czasie.

Maksymalna sprawność układu dochodzi do ok 65% dla momentu zadanego 8Nm i ok 70 % dla drugiego przypadku. Wynika to ze strat występujących w maszynie (w uzwojeniu, rdzeniu, straty mechaniczne) oraz faktu, że silnik nie pracował w warunkach znamionowych.

Przy pracy silnika z zachowaniem warunku stałego momentu (rozruch, przyspieszanie) moc mechaniczna rośnie, gdyż wzrasta prędkość obrotowa. Spadek mocy powyżej prędkości około 1400-1500 obr/min w obu przypadkach spowodowany jest spadkiem proporcjonalnego do mocy momentu.